Studio e caratterizzazione di materiali organici per applicazioni fotovoltaiche organiche tramite metodi di spettroscopia ottica avanzata

Nel presente studio sono state effettuate misure di fotocorrente spettrale risolta nel tempo e misure di spettroscopia di generazione di seconda armonica su materiali semiconduttori organici. Tramite queste caratterizzazioni, si sono analizzate le proprietà di trasporto e di intrappolamento delle cariche elettriche indotte dall’eccitazione luminosa dei materiali, e gli allineamenti delle bande energetiche in giunzioni di materiali, che determinano le prestazioni di dispositivi fotovoltaici realizzati con essi. Le analisi sono state condotte su due semiconduttori organici, uno di tipo “p”, il α-sexithiophene (α-6T), ed uno di tipo “n”, il perilene con gruppi ciano (PDI-8CN2), utilizzandoli come semiconduttore in transistor organici ad effetto di campo OFET (Organic Field Effect Transistor). Per le misure di fotocorrente spettrale, i dispositivi realizzati con i due materiali sono stati polarizzati elettricamente e quindi irraggiati con luce monocromatica, variando la lunghezza d’onda di eccitazione. I due tipi di dispositivi mostrano comportamenti differenti in funzione della lunghezza d’onda luminosa di eccitazione. Il 6T risponde sempre allo stimolo luminoso, ma con modalità diverse se la lunghezza d’onda applicata è più grande o più piccola di circa 500 nm. Alle lunghezze d’onda più grandi, la luce eccita stati trappola nel semiconduttore, che accumulano cariche all’interfaccia semiconduttore-isolante di gate. Alle lunghezze d’onda più piccole, coerentemente con quanto indicato dallo spettro di assorbimento del materiale, vengono fotogenerate molte cariche che contribuiscono alla conduzione nel OFET, facendo variare la corrente molto rapidamente. Il PDI-8CN2, invece, mostra risposta alla luce soltanto con lunghezze d’onda più piccole di 600 nm, come atteso dall’osservazione dello spettro di assorbimento del materiale. Inoltre, il comportamento sembra influenzato dalla presenza di ossigeno e vapor acqueo atmosferici, che possono indurre modifiche nella struttura del materiale e provocare la formazione di siti trappola. Utilizzando un diverso set-up di misura, si è osservato un comportamento che fa supporre due effetti provocati dalla luce incidente: la fotogenerazione di cariche e la formazione di due tipi di trappole, lente e veloci. Film di perilene su vetro sono stati analizzati anche con la spettroscopia di generazione di seconda armonica, utilizzando luce polarizzata per eccitare i campioni, osservando quali risonanze sono presenti nel sistema ed individuando le lunghezze d’onda che provocano un apprezzabile segnale non lineare, e stabilendo quale tipo di transizione provoca le risonanze d’interfaccia.